馬永武， 趙國(guó)生， 黃明山， 李如意

(1.河南許繼儀表有限公司 河南 許昌 461000； 2.鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院 河南 鄭州 450001)

峰谷分時(shí)電價(jià)下用戶需求響應(yīng)行為模型的研究

馬永武1， 趙國(guó)生2， 黃明山1， 李如意1

(1.河南許繼儀表有限公司 河南 許昌 461000； 2.鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院 河南 鄭州 450001)

建立了峰谷分時(shí)電價(jià)下用戶需求響應(yīng)活動(dòng)的負(fù)荷優(yōu)化響應(yīng)模型，給出了模型目標(biāo)函數(shù)中用戶的可中斷負(fù)荷收益與基于負(fù)荷轉(zhuǎn)移率的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷收益表達(dá)式，同時(shí)給出了峰谷分時(shí)電價(jià)下用戶需求響應(yīng)活動(dòng)優(yōu)化方程的求解方法.分析實(shí)例的計(jì)算結(jié)果表明,用戶需求響應(yīng)活動(dòng)在消減尖峰負(fù)荷、填充谷負(fù)荷以及減少用戶電費(fèi)支出方面作用明顯.

負(fù)荷響應(yīng)模型； 需求響應(yīng)； 分時(shí)電價(jià)

0 引言

用戶的需求側(cè)響應(yīng)是電力需求側(cè)管理中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，它是指電力用戶根據(jù)供電部門制定的電價(jià)信息和激勵(lì)信息來調(diào)整自己的用電計(jì)劃，調(diào)整其用電負(fù)荷曲線，以達(dá)到在滿足用戶滿意度條件下的用戶電費(fèi)支出最小化目標(biāo)所采取的用電手段及用電方式.電力用戶通常利用用戶響應(yīng)手段尋優(yōu)的方法來實(shí)現(xiàn)最小化電費(fèi)支出的目標(biāo)，用戶的響應(yīng)手段通過采用電力儲(chǔ)能技術(shù)、電力負(fù)荷管理技術(shù)、先進(jìn)的節(jié)電技術(shù)以及合理安排用電時(shí)間等方式來實(shí)現(xiàn).電力用戶的需求側(cè)響應(yīng)通過將一部分高峰負(fù)荷轉(zhuǎn)移到低谷時(shí)段使用可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷的消峰填谷，以實(shí)現(xiàn)均衡用電、均衡發(fā)電，減少了為滿足邊際容量需求的發(fā)電設(shè)備投資及輸電設(shè)備投資，不僅提高了終端的用電效率和優(yōu)化了用電方式[1-4]，還大大減少了電力資源的浪費(fèi)，并提高了電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，從而使電力產(chǎn)生最大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益.

目前在峰谷分時(shí)電價(jià)政策對(duì)用戶需求響應(yīng)影響的優(yōu)化模型研究上，沒有給出目標(biāo)函數(shù)中用戶收益的具體表達(dá)式，也未給出用戶優(yōu)化模型的具體求解方法，因此無(wú)法分析用戶的收益以及消峰填谷效果.針對(duì)該問題，作者提出了峰谷分時(shí)電價(jià)下用戶需求響應(yīng)活動(dòng)的負(fù)荷優(yōu)化響應(yīng)模型，分析實(shí)例的計(jì)算結(jié)果表明，用戶需求響應(yīng)活動(dòng)可以消減尖峰負(fù)荷、填充谷負(fù)荷，并能在一定程度上減少用戶的電費(fèi)支出.

1 峰谷分時(shí)電價(jià)下用戶需求響應(yīng)活動(dòng)的負(fù)荷優(yōu)化響應(yīng)模型

考慮用戶的能量?jī)?chǔ)存容量情況，用戶的負(fù)荷優(yōu)化響應(yīng)模型的目標(biāo)函數(shù)為

(1)

式中：ΔCopt為優(yōu)化減少的電費(fèi)支出；k為電價(jià)變化期序列;N為電價(jià)變化期總數(shù)；pk為k時(shí)段的電價(jià)；W(pk)為k時(shí)段減少的電能支出(即用戶收益);p為分時(shí)電價(jià)實(shí)施前的單一電價(jià);W為分時(shí)電價(jià)實(shí)施前的用戶用電量.

居民、公共機(jī)構(gòu)、商業(yè)用戶的約束條件為感覺舒適度約束，其可以用溫度和光照度兩個(gè)約束條件[6-7]來表示為

式中：Tset為用戶的制冷空調(diào)或取暖設(shè)備的設(shè)定溫度;Tmax-cold，Tmin-hot分別為空調(diào)制冷和制熱時(shí)滿足客戶舒適度要求的室內(nèi)溫度最大值與最小值；Ebus為室內(nèi)的光照度;Emin為保證用戶滿意的光照度的最小值.

2 用戶的需求響應(yīng)活動(dòng)收益分析

2.1 峰谷分時(shí)電價(jià)下用戶需求響應(yīng)活動(dòng)的用戶收益計(jì)算

在需求響應(yīng)活動(dòng)中，通常采用電價(jià)激勵(lì)的措施來調(diào)節(jié)用戶的響應(yīng)行為，電力用戶對(duì)價(jià)格的響應(yīng)行為有中斷用電負(fù)荷、減少用電負(fù)荷、轉(zhuǎn)移用電負(fù)荷3種用電方式，其中減少用電負(fù)荷可以看成為部分中斷負(fù)荷，將其歸入可中斷負(fù)荷中進(jìn)行分析.假設(shè)采用的峰谷分時(shí)電價(jià)政策將電價(jià)分為3個(gè)時(shí)間段：峰電價(jià)時(shí)段電價(jià)為pf元/(kW·h)(峰電價(jià)時(shí)段電源供應(yīng)特別緊張的一部分時(shí)段作為尖電價(jià)時(shí)段，其電價(jià)為pj元/(kW·h))，平電價(jià)時(shí)段電價(jià)為pp元/(kW·h)，谷電價(jià)時(shí)段電價(jià)為pg元/(kW·h).商業(yè)用戶與高耗能企業(yè)用戶各個(gè)時(shí)段的電價(jià)與居民用戶、公共機(jī)構(gòu)各個(gè)時(shí)段的電價(jià)是不同的，其用電電價(jià)按現(xiàn)行電價(jià)進(jìn)行同比例增長(zhǎng).

1)可中斷負(fù)荷收益分析

用戶參與需求響應(yīng)活動(dòng)的可中斷負(fù)荷收益為

(2)

式中：S(pk)為用戶在電價(jià)為pk時(shí)段單位用電量所創(chuàng)造的利潤(rùn)；C(pk)為用戶在電價(jià)為pk時(shí)段由于中斷單位負(fù)荷后導(dǎo)致的停電損失，包括人工成本、設(shè)備成本、材料消耗等損失；Bc(pk)為用戶在電價(jià)為pk時(shí)段由于中斷單位負(fù)荷后所獲得的中斷負(fù)荷補(bǔ)償費(fèi)用;Ucs為系統(tǒng)單位購(gòu)電成本.

可中斷負(fù)荷的補(bǔ)償費(fèi)用為

Bc(pk)=μ[Pm-PITM(pk)](0≤μ≤1)，

式中：Pm為市場(chǎng)清算價(jià)(系統(tǒng)邊際電價(jià))；PITM(pk)為可中斷負(fù)荷的閥值電價(jià)，其表達(dá)式為

PITM(pk)=Wtt(pk)-C(pk).

用戶停電損失的表達(dá)式為

式中：K1，K2是常數(shù)；θ表示用戶的可中斷意愿，其由企業(yè)的生產(chǎn)工序及用戶的感覺舒適度等因素決定，θ為0～1之間的連續(xù)數(shù)值，θ值越接近0，表示用戶越愿意接受中斷負(fù)荷，反之，用戶意愿就越低.

系統(tǒng)單位購(gòu)電成本Ucs的表達(dá)式為

式中：Q為系統(tǒng)的上網(wǎng)電量；L(i)為用戶中斷的負(fù)荷電量；λ為判別變量(有負(fù)荷中斷時(shí)為1，否則為0).

2)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷收益分析

用戶參與需求響應(yīng)活動(dòng)的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷收益為

(3)

用戶在各個(gè)時(shí)段的用電負(fù)荷可以表示為

(4)

式中：Tp，Tf，Tg分別為平時(shí)段、峰時(shí)段、谷時(shí)段；t為其中的任一時(shí)段；λpg，λfg，λfp分別為平谷、峰谷、平峰時(shí)段的負(fù)荷轉(zhuǎn)移率.

用戶由峰到平時(shí)段的負(fù)荷轉(zhuǎn)移率λfp與這兩個(gè)時(shí)段的電價(jià)差Δfp的關(guān)系為

(5)

用戶由峰到谷時(shí)段的負(fù)荷轉(zhuǎn)移率λfg和用戶由平到谷時(shí)段的負(fù)荷轉(zhuǎn)移率λpg分別為：

2.2 峰谷分時(shí)電價(jià)下用戶需求響應(yīng)活動(dòng)優(yōu)化方程的求解

在峰谷分時(shí)電價(jià)政策引導(dǎo)下，用戶需求響應(yīng)活動(dòng)每個(gè)電價(jià)時(shí)段的節(jié)電收益是用戶在其約束條件制約下根據(jù)電價(jià)信息作出反應(yīng)，即Wint(pk)，Wshift(pk)是每個(gè)時(shí)段電價(jià)信息的函數(shù)，這樣用戶負(fù)荷優(yōu)化響應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)的電價(jià)信息表達(dá)式為

(6)

根據(jù)用戶的負(fù)荷優(yōu)化響應(yīng)模型及其約束條件建立的拉格朗日方程[6]為

(7)

式中:λ≤0；λ1≤0；τ1≤0；τ2≤0；τ3≤0.

按照Karush-Kuhn-Tucker最優(yōu)化條件，(7)式的最優(yōu)點(diǎn)p*必須滿足如下條件：

對(duì)該約束優(yōu)化問題的求解，可以采用內(nèi)點(diǎn)法[2]來進(jìn)行，其迭代格式為:λk+1=λk+β*Δλk,λ1,k+1=λ1,k+β1*Δλ1k,τ2,k+1=τ2,k+β2*Δτ2k,τ3,k+1=τ3,k+β3*Δτ3k,τ1,k+1=τ1,k+γ*Δτ1k,式中:β,β1,β2,β3,γ是步長(zhǎng)因子，取決于所選用的搜索方法，在進(jìn)行搜索時(shí)具有方向性，γ變量搜索方向與其他變量相反.

3 計(jì)算實(shí)例

為了解在需求響應(yīng)活動(dòng)中，采用電價(jià)激勵(lì)措施的用戶需求響應(yīng)活動(dòng)負(fù)荷的消峰填谷效果及用戶的節(jié)電收益情況，對(duì)負(fù)荷優(yōu)化響應(yīng)模型進(jìn)行了求解計(jì)算，計(jì)算時(shí)將每年的7、8兩個(gè)月份定義為實(shí)施尖電價(jià)月份，尖電價(jià)時(shí)間段為每日的18:00—20：00；其他月份實(shí)施峰、平、谷電價(jià)政策.公共機(jī)構(gòu)、大工業(yè)用戶各個(gè)時(shí)間段的用電電價(jià)分別為：尖電價(jià)1.20元/(kW·h)，峰電價(jià)0.90元/(kW·h)，平電價(jià)0.60元/(kW·h)，谷電價(jià)0.30元/(kW·h)；將用電負(fù)荷特性劃分為峰時(shí)、平時(shí)、谷時(shí)3個(gè)時(shí)段，每一時(shí)段為8 h，峰時(shí)段為7：00—11：00、17：00—21：00；平時(shí)段為11：00—17：00、21：00—23.00；谷時(shí)段為23：00—次日7：00.商業(yè)用戶各個(gè)時(shí)段的用電價(jià)格在公共機(jī)構(gòu)及大工業(yè)用戶各個(gè)時(shí)間段用電價(jià)格的基礎(chǔ)上乘以系數(shù)1.5.在該電價(jià)機(jī)制下用戶需求響應(yīng)活動(dòng)的響應(yīng)結(jié)果見表1.可以看出，實(shí)施需求響應(yīng)不但能削減電網(wǎng)尖峰時(shí)段的用電負(fù)荷及填充谷時(shí)段的用電負(fù)荷，而且也在一定程度上減少了用戶的電費(fèi)開支.

[1] 李志剛，吳文傳，張伯明，等. 一種基于高斯罰函數(shù)的大規(guī)模無(wú)功優(yōu)化離散變量處理方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013,33(4)：68-76.

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(責(zé)任編輯：孔 薇)

The Research of Customer Demand Response Model under Time-of-use Pricing

MA Yongwu1, ZHAO Guosheng2， HUANG Minshan1， LI Ruyi1

(1.HenanXuJiInstrumentCo.,LTD,Xuchang461000,China; 2.SchoolofElectricalEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)

The demand response optimization model under time-of-use pricing was presented. Its objective function expression included interruptible load benefits and shifting load benefits based on load transfer rate. The solving algorithms of the optimization equation was given. The results of example analysis showed that the demand response actions had remarkable effect in eliminating peak load and filling valley load as well as increasing customer benefits under time-of-use pricing.

load response model； demand response； time-of-use pricing

2015-09-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目，編號(hào)51307152.

馬永武(1967—)，男，河南許昌人，高級(jí)工程師，主要從事電能計(jì)量與需求響應(yīng)研究；通訊作者：趙國(guó)生(1965—)，男，河南南陽(yáng)人，副教授，博士，主要從事用戶需求側(cè)管理研究，E-mail: zgs410@zzu.edu.cn.

馬永武，趙國(guó)生，黃明山，等.峰谷分時(shí)電價(jià)下用戶需求響應(yīng)行為模型的研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：理學(xué)版，2015，47(4)：119-122.

TM73

A

1671-6841(2015)04-0119-04

10.3969/j.issn.1671-6841.2015.04.023